DE102014106916A1 - Device for the automated determination of at least two different process parameters - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatisierten Bestimmung von mindestens zwei unterschiedlichen Prozessparametern einer Prozessflüssigkeit eines Prozesses, insbesondere eines Bioprozesses, umfassend: – eine erste Messzelle, welche dazu ausgestaltet ist, ein von einem ersten Prozessparameter einer ersten Probe der Prozessflüssigkeit abhängiges erstes Messsignal bereitzustellen; – eine zweite Messzelle, welche dazu ausgestaltet ist, ein von einem zweiten Prozessparameter einer zweiten Probe der Prozessflüssigkeit abhängiges zweites Messsignal bereitzustellen; und – eine Steuerungs- und Auswertungseinrichtung, welche der Überwachung und/oder Steuerung des Prozesses dient, und welche dazu ausgestaltet ist, das erste und das zweite Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, insbesondere anhand des ersten Messsignals einen Messwert des ersten Prozessparameters zu bestimmen und anhand des zweiten Messsignals einen Messwert des zweiten Prozessparameters zu bestimmen; wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal unterschiedlichen Funktionen im Rahmen der Überwachung und/oder Steuerung des Prozesses dienen. Der erste Prozessparameter kann ein Regelparameter (critical process parameter, CPP), und der zweite Prozessparameter kann ein produktqualitätsrelevanter Parameter (critical quality attribute, CQA) des Prozesses sein.The invention relates to a device for the automated determination of at least two different process parameters of a process liquid of a process, in particular a bioprocess, comprising: a first measuring cell which is designed to provide a first measurement signal dependent on a first process parameter of a first sample of the process liquid; A second measuring cell which is designed to provide a second measuring signal which is dependent on a second process parameter of a second sample of the process liquid; and a control and evaluation device which serves to monitor and / or control the process and which is designed to receive and process the first and the second measurement signal, in particular to determine a measurement value of the first process parameter on the basis of the first measurement signal and determine a measured value of the second process parameter on the basis of the second measurement signal; wherein the first measurement signal and the second measurement signal serve different functions in the context of monitoring and / or controlling the process. The first process parameter can be a critical process parameter (CPP), and the second process parameter can be a critical quality attribute (CQA) parameter of the process.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung von mindestens zwei unterschiedlichen Prozessparametern in einer Probe einer Prozessflüssigkeit eines Prozesses. Bei dem Prozess kann es sich um einen Bioprozess handeln. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung eines Regelparameters, z.B. eines Metabolitgehalts, und eines produktqualitätsrelevanten Parameters, z.B. eines Zielproteingehalts, von Proben der Prozessflüssigkeit.The invention relates to a device and a method for the automated determination of at least two different process parameters in a sample of a process fluid of a process. The process can be a bioprocess. In particular, the invention relates to an apparatus and a method for the automated determination of a control parameter, e.g. a metabolite content, and a product quality relevant parameter, e.g. a target protein content, of samples of the process fluid.
Ziel der (Bio-)prozessanalytik, vor allem im Rahmen des PAT-Leitfadens der FDA (US Food and Drug Administration), ist letztendlich die Verbesserung der Produktivität bei Erhalt konstanter Qualitätseigenschaften unter dem Druck der Verkürzung der Produkteinführungszeit. Die Abkürzung PAT steht für „Process Analytical Technology“. Der PAT-Leitfaden wurde von der FDA als Anreiz und Hilfsmittel zur Optimierung, Analyse und Kontrolle pharmazeutischer Herstellungsprozesse erstellt. Entsprechend dieses Leitfadens sind die die kritischen Qualitätseigenschaften beeinflussenden kritischen Prozessparameter eines biopharmazeutischen Herstellungsprozesses zu analysieren und zu kontrollieren. Die kritischen Prozessparameter (im PAT-Leitfaden als critical process parameters, kurz CPP, bezeichnet) sind Regelgrößen des Prozesses, die in entsprechende Regelalgorithmen zur Prozesssteuerung und Regelung eingehen. Im Folgenden werden diese Parameter auch als Regelparameter bezeichnet. Davon zu unterscheiden sind die die produktqualitätsrelevanten Parameter (im PAT-Leitfaden als critical quality attributes, kurz CQA, bezeichnet). Diese Parameter dienen als Maß für die Produktqualität, werden jedoch aktuell nicht als Regelparameter für den Produktionsprozess verwendet. Die Regelparameter beeinflussen die produktqualitätsrelevanten Parameter.The ultimate goal of (bio) process analytics, particularly within the US Food and Drug Administration (PAT) Guidelines, is to improve productivity while maintaining consistent quality characteristics under the pressure of reducing time-to-market. The abbreviation PAT stands for "Process Analytical Technology". The PAT Guide was created by the FDA as an incentive and tool to optimize, analyze and control pharmaceutical manufacturing processes. According to this guideline, the critical process parameters influencing the critical quality characteristics of a biopharmaceutical manufacturing process must be analyzed and controlled. The critical process parameters (referred to in the PAT Guide as critical process parameters, CPP for short) are process variables of the process that enter into appropriate control algorithms for process control and regulation. In the following, these parameters are also referred to as control parameters. A distinction must be made between the parameters relevant to product quality (referred to in the PAT Guide as critical quality attributes, CQA for short). These parameters serve as a measure of product quality, but are not currently used as control parameters for the production process. The control parameters influence the product quality relevant parameters.
Ein Beispiel für die Wichtigkeit der Bioprozesskontrolle zeigt die Produktion von rekombinanten Proteinen. Die heterologe Genexpression wird erst nach dem Erreichen einer bestimmten Zelldichte induziert. Innerhalb des zweiphasigen Kultivierungsprozesses müssen daher sowohl das Zellwachstum als auch der Wechsel zur metabolischen Phase, in welcher die Produktbildung stattfindet, genau überwacht und gesteuert werden. Zwischen Zellwachstum und Produktproduktion, welche jeweils prozessabhängig nicht direkt miteinander korreliert werden können, muss durch die Optimierung der Kultivierungsbedingungen ein robustes, reproduzierbares Prozesserfahren/-regime bestimmt werden. Wie beispielsweise in
Das dem PAT-Leitfaden zugrundeliegende Konzept zielt darauf, den Prozess durch Definition geeigneter Regelparameter, die online erfasst werden, zu steuern und/oder zu regeln und dadurch in effizienterer Weise eine gewünschte Produktqualität zu erzielen. Wesentlich für die Steuerung und Regelung von Bioprozessen im Sinne des PAT-Leitfadens ist daher das Vorhandensein bzw. die Entwicklung von geeigneter online-fähiger Sensortechnik; d.h. Sensoren und prozessangebundener Analysenmesstechnik.The underlying concept of the PAT Guide is to control and / or regulate the process by defining appropriate control parameters that are collected online, thereby achieving a desired product quality in a more efficient manner. Essential for the control and regulation of bioprocesses within the meaning of the PAT Guide is therefore the existence or the development of suitable on-line sensor technology; i.e. Sensors and process-related analytical measuring technology.
Klassische Regelparameter, insbesondere auch für die Steuerung und/oder Regelung von Bioprozessen, repräsentieren zumeist chemische/physikalische Zustandsgrößen wie z.B. Temperatur, pH-Wert, CO2, O2-Gehalt, deren Bestimmung mittels inline-Sensorik etabliert oder zumindest möglich ist. Mit Biosensor-basierten Messsystemen können weitere Regelparameter bestimmt werden, die mit klassischer, etablierter Messtechnik nicht zugänglich wären. Auf Grund der Instabilität biologischer Komponenten haben sich derartige Systeme für den inline-Routineeinsatz nicht bewährt, sodass für Biosensor-basierte Messsysteme die Entnahme eine Probe und die Zuführung zur Messzelle nötig ist. Biosensor-basiert bestimmte Regelparameter sind beispielsweise Metabolite, also Nährstoffe oder Stoffwechselprodukte, deren Gehaltsverlauf während eines biologischen Prozesses direkt Einfluss auf die Prozessregelung hat, um die optimalen Bedingungen zur Produktherstellung – mit der geforderten Qualität – einzustellen.Classical control parameters, in particular also for the control and / or regulation of bioprocesses, usually represent chemical / physical state variables such as temperature, pH, CO 2 , O 2 content, the determination of which is established or at least possible by means of inline sensor technology. With biosensor-based measuring systems, further control parameters can be determined that would not be accessible with classical, established measurement technology. Due to the instability of biological components, such systems have not proven to be suitable for inline routine use, so that for biosensor-based measuring systems it is necessary to take a sample and supply it to the measuring cell. Biosensor-based certain control parameters are, for example, metabolites, ie nutrients or metabolic products, whose content during a biological process has a direct influence on the process control in order to set the optimum conditions for product production - with the required quality.
Die Bestimmung der produktqualitätsrelevanten Parameter, die CQAs, liefert eine direkte Aussage, ob das Produkt die geforderten Eigenschaften innerhalb eines festgelegten, besonders bei der pharmazeutischen Produktion von den Zulassungsbehörden definierten, Toleranzbereiches aufweist. Momentan werden zur Bestimmung der CQAs täglich manuell dem Prozess entnommene Proben zeitversetzt im Labor untersucht und dabei eine Vielfalt von Produktqualitätsparametern mit entsprechenden Laboranalysegeräten bestimmt. Zumeist werden erst nach Prozessbeendigung alle Proben zusammen untersucht. Die Untersuchung der Proben benötigt geschultes Personal zur Bedienung und Ergebnisinterpretation. Eine Reaktion/Handlung bei Nichteinhaltung der gewünschten Produkteigenschaften ist bei einem solchen Vorgehen nicht möglich. The determination of the product quality-relevant parameters, the CQAs, provides a direct statement as to whether the product has the required properties within a defined tolerance range defined by the regulatory authorities, especially in pharmaceutical production. At present, samples taken manually from the process are time-displaced in the laboratory to determine the CQAs daily and a variety of product quality parameters are determined with appropriate laboratory analyzers. In most cases, all samples are examined together only after the process has ended. The examination of the samples requires trained personnel to operate and interpret the results. A reaction / action in case of non-compliance with the desired product properties is not possible with such a procedure.
Aus dem Stand der Technik sind bereits einige Verfahren zur Bestimmung einzelner CQAs und CPPs sowie Analysegeräte kommerzieller Anbieter zur, Durchführung dieser Verfahren bekannt. Diese sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt. Damit solche Geräte automatisiert in der Prozessmesstechnik zur Überwachung bzw. für die Steuerung und/oder Regelung von Produktionsprozessen eingesetzt werden können, benötigen sie einen Prozessanschluss über den sie mit dem Prozess verbunden werden können, um Messungen durchzuführen bzw. um Proben aus dem Prozess zu entnehmen, an denen die Messungen durchgeführt werden können. In Tabelle I ist daher jeweils angegeben, ob die genannten Analysegeräte über einen Prozessanschluss verfügen. Tabelle I:
Aus
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein Verfahren anzugeben, welches Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Analysegeräte und Verfahren vermeidet. Insbesondere sollen die Vorrichtung und das Verfahren es ermöglichen, Prozesse, insbesondere Bioprozesse gemäß des PAT-Leitfadens zu überwachen, steuern und/oder zu regeln und dabei möglichst energie- und ressourcensparend sein.It is the object of the invention to provide a generic device or a method which avoids the disadvantages of the known from the prior art analyzers and methods. In particular, the device and the method should make it possible to monitor, control and / or regulate processes, in particular bioprocesses according to the PAT guide, and to save as much energy and resources as possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the device according to claim 1 and the method according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur automatisierten Bestimmung von mindestens zwei unterschiedlichen Prozessparametern eines Prozessmediums eines Prozesses, insbesondere eines Bioprozesses, umfasst:
- – eine erste Messzelle, welche dazu ausgestaltet ist, ein von einem ersten Prozessparameter einer ersten Probe des Prozessmediums abhängiges erstes Messsignal bereitzustellen;
- – eine zweite Messzelle, welche dazu ausgestaltet ist, ein von einem zweiten Prozessparameter einer zweiten Probe des Prozessmediums abhängiges zweites Messsignal bereitzustellen; und
- – eine Steuerungs- und Auswertungseinrichtung, welche der Überwachung und/oder Steuerung des Prozesses dient, und welche dazu ausgestaltet ist, das erste und das zweite Messsignal zu empfangen und zu verarbeiten, insbesondere anhand des ersten Messsignals einen Messwert des ersten Prozessparameters zu bestimmen und anhand des zweiten Messsignals einen Messwert des zweiten Prozessparameters zu bestimmen; wobei das erste Messsignal und das zweite Messsignal unterschiedlichen Funktionen im Rahmen der Überwachung und/oder Steuerung des Prozesses dienen.
- A first measuring cell, which is designed to provide a first measuring signal dependent on a first process parameter of a first sample of the process medium;
- A second measuring cell, which is designed to provide a second measuring signal dependent on a second process parameter of a second sample of the process medium; and
- A control and evaluation device which serves to monitor and / or control the process, and which is configured to receive and process the first and the second measurement signal, in particular to determine a measured value of the first process parameter based on the first measurement signal and based on the second measurement signal to determine a measured value of the second process parameter; wherein the first measurement signal and the second measurement signal serve different functions in the context of monitoring and / or controlling the process.
Eine Messzelle umfasst einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der jeweiligen Probe, z.B. einen Behälter oder eine Leitung, und mindestens einen Messaufnehmer, welcher zur Erfassung einer das Messsignal des Messaufnehmers beeinflussenden Messgröße der in dem Aufnahmeraum aufgenommenen Probe ausgestaltet ist. Der Messaufnehmer kann einen Messwandler umfassen, der dazu ausgestaltet ist, die Messgröße in ein elektrisches Signal zu wandeln, das, gegebenenfalls weiterverarbeitet, als Messsignal ausgegeben wird. Der Messaufnehmer kann beispielsweise mit der Probe in Kontakt stehen, indem er die Probe berührt. Alternativ kann er mit der Probe in Kontakt stehen, indem er von der Probe emittierte Strahlung erfasst oder in die Probe eingestrahlte Strahlung nach Wechselwirkung mit der Probe erfasst.A measuring cell comprises a receiving space for receiving the respective sample, for example a container or a line, and at least one measuring sensor, which is designed to detect a measured variable of the measuring pickup of the measuring pickup of the sample recorded in the receiving space. The sensor may comprise a transducer, which is designed to convert the measured variable into an electrical signal which, optionally further processed, is output as a measuring signal. For example, the sensor may contact the sample by contacting the sample. alternative it may be in contact with the sample by detecting radiation emitted by the sample or detecting radiation incident on the sample after interacting with the sample.
Das Prozessmedium kann beispielsweise eine Prozessflüssigkeit sein. Die erste und zweite Probe können aus einer dem Prozessbehälter entnommenen vorgegebenen Menge an Prozessflüssigkeit durch Aufteilen der entnommen Flüssigkeitsmenge gebildet werden. Es ist auch möglich, die erste und die zweite Probe dem Prozessbehälter nacheinander zu entnehmen.The process medium may be, for example, a process fluid. The first and second samples may be formed from a predetermined amount of process liquid taken from the process container by dividing the withdrawn amount of liquid. It is also possible to remove the first and the second sample from the process container in succession.
Indem die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, prozessspezifische Messsignale, die unterschiedlichen Funktionen im Rahmen der Überwachung und/oder Steuerung des Prozesses dienen, zu bestimmen und der Steuerungs- und Auswertungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, müssen nicht mehr unterschiedliche Messgeräte zur Bestimmung verschiedener Parameter unterschiedlicher Funktionen herangezogen werden, wobei die Messgeräte häufig auch für den jeweiligen spezifischen Prozess nicht relevante Parameter mitbestimmen. Die Messzellen können relativ einfach gestaltet sein und neben dem Aufnahmeraum und dem Messaufnehmer gegebenenfalls lediglich eine Vorortelektronik zu einer ersten Verarbeitung der Messsignale, insbesondere zur Verstärkung und/oder Digitalisierung, umfassen. Im Gegensatz zu einem Messaufbau, bei dem verschiedene, vollständige Messgeräte mit jeweils eigener Steuerungs- und Auswerteeinrichtung mit Eingabemitteln und Anzeigeeinrichtung miteinander kombiniert sind, die jeweils einen Parameter erfassen, ist so ein erheblich kompakterer Messaufbau möglich.By configuring the device to determine process-specific measuring signals, which serve different functions in the context of monitoring and / or controlling the process, and to make them available to the control and evaluation device, it is no longer necessary to use different measuring devices for determining different parameters of different functions often the measuring instruments also have an influence on parameters that are not relevant for the respective specific process. The measuring cells can be designed relatively simply and, in addition to the receiving space and the sensor, optionally only a suburb electronics for a first processing of the measurement signals, in particular for amplification and / or digitization include. In contrast to a measurement setup, in which different, complete measuring devices are combined with their own control and evaluation device with input means and display device, which each record a parameter, so a much more compact measurement setup is possible.
Die Verwendung einer, insbesondere einzigen, zentralen Steuerungs- und Auswertungseinrichtung, die beide Messsignale verarbeitet und beide Messzellen, insbesondere beide Messaufnehmer steuert, erlaubt eine zeitnahe Bestimmung der Parameter und eine komfortable Bedienung der Vorrichtung. Darüber hinaus ist die Vorrichtung in der Lage, die Bestimmung der Parameter und deren Verwendung für Regelungs- und Steuerungsaufgaben zu koordinieren. Dies erlaubt eine energie- und ressourceneffizientere Überwachung, Steuerung und Regelung von industriellen Prozessen und Laborprozessen. Verfügt die übergeordnete Steuerungs- und Auswertungseinrichtung über Eingabemittel und eine Anzeigeeinrichtung, z.B. ein Display, zur Anzeige von Messwerten, Geräteparametern und ggfs. Auswertungsinformationen, ist eine einfache und komfortable Bedienung der Vorrichtung möglich, während bei einem Messaufbau, bei dem lediglich mehrere einzeln zu bedienende, vollständige, insbesondere über eine jeweils eigene Steuerungs- und Auswerteeinrichtung mit Eingabe- und Ausgabemitteln verfügende, Messgeräte miteinander kombiniert sind, die Bedienung und auch die Wartung des Messaufbaus deutlich aufwändiger sind und dazu geschultes Personal benötigt wird.The use of a, in particular single, central control and evaluation device, which processes both measuring signals and controls both measuring cells, in particular both measuring sensors, permits a timely determination of the parameters and a comfortable operation of the device. In addition, the device is able to coordinate the determination of the parameters and their use for control tasks. This allows more energy and resource efficient monitoring, control and regulation of industrial processes and laboratory processes. If the higher-level control and evaluation device has input means and a display device, e.g. a display for displaying measured values, device parameters and possibly evaluation information, a simple and convenient operation of the device is possible, while in a measurement setup in which only a plurality of individually operated, complete, in particular via their own control and evaluation device with input - And output means equipped, measuring instruments are combined, the operation and the maintenance of the measurement setup are significantly more complex and trained personnel is required.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der der erste Prozessparameter ein Regelparameter (critical process parameter, CPP) ist, und der zweite Prozessparameter ein produktqualitätsrelevanter Parameter (critical quality attribute, CQA) des Prozesses ist.An embodiment is advantageous in which the first process parameter is a critical parameter (CPP), and the second process parameter is a product quality-relevant parameter (critical quality attribute, CQA) of the process.
Während bei dem Vorgehen nach dem heutigen Stand der Technik, bei dem die CQAs zeitversetzt gegenüber der Probenahme, insbesondere zumeist sogar erst nach der Beendigung des Prozesses, ermittelt werden, ist es vorteilhaft, einen ausgewählten oder wenige ausgewählte Produktqualitätsparameter mit einem vollautomatisierten, prozessangebundenen Analysensystem mit einem sehr geringen Zeitversatz zur direkten Bioprozessüberwachung zu bestimmen. Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass finale Kontrollen des bei der Herstellung erhaltenen Produktes im Labor zum Nachweis der Spezifikationen (Endkontrollen) entfallen. Bei zeitnaher Bestimmung der produktqualitätsrelevanten Parameter, wie hier vorgesehen, kann vorteilhaft parallel zur Prozessführung die Einhaltung der Produktspezifikationen geprüft, und bei Nichteinhalten der Prozess unter Umständen frühzeitig abgebrochen werden, sodass keine weiteren Ressourcen (v.a. Zeit und Kosten der Kulturmedien) ohne Produktertrag verbraucht werden.While in the current state of the art, in which the CQAs with respect to the sampling time, especially in most cases only after the completion of the process, determined, it is advantageous to a selected or a few selected product quality parameters with a fully automated, process-based analysis system to determine a very small time offset for direct bioprocess monitoring. This does not necessarily mean that final controls of the product obtained during manufacture are not required in the laboratory to prove the specifications (final controls). In the case of timely determination of the product quality-relevant parameters, as provided here, it is advantageously possible to check compliance with the product specifications in parallel to the process management and, if the process is not complied with, to be stopped prematurely so that no further resources (in particular time and costs of the culture media) are consumed without product yield.
In nachfolgender Tabelle II sind exemplarisch einige wichtige in der Praxis zu bestimmende Produktqualitäts- (CQA) und Regelparameter (CPP) und mögliche biosensor-basierte Messverfahren mit optischer und amperometrischer Detektion aufgeführt, die mit einem Durchflussmesssystem bestimmbar sind. Tabelle II: In the following Table II, some important product quality (CQA) and control parameters (CPP) to be determined in practice and possible biosensor-based measuring methods with optical and amperometric detection are listed by way of example, which can be determined with a flow measurement system. Table II:
Zur Bestimmung der Produktqualitäts- und Regelparameter mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Messverfahren und Detektionsprinzipien genutzt und miteinander kombiniert werden. Je nach geforderten Parametern können für den automatisierten Ablauf in der erfindungsgemäßen Vorrichtung etablierte Laborverfahren übertragen und/oder kommerziell erhältliche Reagenzien-Kits genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei für die einfache, robuste, prozesstaugliche Automatisierung ein Messablauf innerhalb eines Durchflusssystems. Innerhalb eines solchen können sowohl heterogene als auch homogene biologische Assays durchgeführt und die Messgröße geeignet, zumeist optisch, detektiert werden. Bevorzugt ist hierbei ein festphasengebundener Affinitäts-Immunosensor mit den in
Beispielsweise können an immobilisierte Rezeptoren gebundene Analyt- oder sonstige Zielmoleküle des Assays mit einer Enzymmarkierung versehen sein, so dass bei einer Messung in einem Durchflusssystem ein Substrat, das mit dem Enzym zu einem Produkt mit veränderten optischen Eigenschaften (z.B. hinsichtlich Absorption oder Fluoreszenz) umgesetzt wird, zu den an die Rezeptoren gebundenen, enzymmarkierten Analyt- oder Zielmolekülen hin transportiert und das gebildete Produkt weg transportiert wird. Aktuelle Werte des zu bestimmenden Produktqualitäts- oder Regelparameters können durch Auswertung des Verlaufs des Primärsignals der optischen Messung, z.B. einer Absorptionsmessung, beim Durchleiten der Substratlösung herangezogen werden. Vorteilhaft wird die optische Messung räumlich getrennt, insbesondere stromabwärts bezogen auf den die immobilisierten Rezeptoren umfassenden Detektionsbereich, durchgeführt.For example, analyte or other target molecules of the assay bound to immobilized receptors may be provided with an enzyme label so that when measured in a flow-through system, a substrate reacted with the enzyme to produce a product with altered optical properties (eg, absorption or fluorescence) is transported to the receptor-bound, enzyme-labeled analyte or target molecules and the product formed is transported away. Actual values of the product quality or control parameter to be determined may be obtained by evaluating the history of the primary signal of the optical measurement, e.g. an absorption measurement, be used in passing the substrate solution. Advantageously, the optical measurement is spatially separated, in particular downstream with respect to the detection area comprising the immobilized receptors.
Als Regelparameter kommen insbesondere Metabolitgehalte oder der Anteil an viablen oder toten Zellen in Frage. Als produktqualitätsrelevante Parameter kommen Aktivitäten, Affinitätseigenschaften oder Proteinaggregation des spezifischen Produkts in Frage. In einfacher Auffassung kann auch der Gehalt des spezifischen Produktes als CQA angesehen werden. Bei einer Aktivitätsbestimmung als CQA wird der Anteil der Wirksubstanz (=biologisch wirksamen Substanz) ermittelt. Besonders vorteilhaft ist die Bestimmung des Anteils der wirksamen Substanz innerhalb des Gesamtgehaltes der Substanz. Dies ist z.B. bei dem Parameter Gerinnungsfaktor 8 anhand einer mittels eines homogenen Verfahrens (insbesondere in Lösung) bestimmten Aktivität zusammen mit einem mittels eines festphasengebundenen Affinitäts-Immunoassays bestimmten Gerinnungsfaktor 8-Gehalt möglich.In particular, metabolite contents or the proportion of viable or dead cells are suitable as control parameters. Product quality relevant parameters are activities, affinity properties or protein aggregation of the specific product. In a simple view, the content of the specific product may also be considered as CQA. In an activity determination as CQA, the proportion of the active substance (= biologically active substance) is determined. Particularly advantageous is the determination of the proportion of the active substance within the total content of the substance. This is
Der weiter oben erwähnte erste Prozessparameter kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Metabolit-Gehalt der Probe, insbesondere einem Anabolit- oder Katabolit-Gehalt, und einem Gehalt an viablen und/oder toten Zellen. The first process parameter mentioned above may be selected from the group consisting of: a metabolite content of the sample, in particular an anabolite or catabolite content, and a content of viable and / or dead cells.
Der Metabolit-Gehalt kann ein Nährstoffgehalt oder ein Stoffwechselprodukt-Gehalt sein. Insbesondere kann der Metabolit-Gehalt ein Glukosegehalt, ein Laktatgehalt, ein Ammonium-Gehalt, ein Glutamingehalt, ein Lactose-Gehalt, ein Galactose-Gehalt, ein Saccharose-Gehalt, ein Maltose-Gehalt, ein Alanin-Gehalt, ein Asparaginsäure-Gehalt, ein I-Aminosäuren-Gehalt, ein Acetylcholin-Gehalt, ein Pyruvat-Gehalt, ein Acetat-Gehalt, ein Citrat-Gehalt sein.The metabolite content may be a nutrient content or a metabolic product content. In particular, the metabolite content may include a glucose content, a lactate content, an ammonium content, a glutamine content, a lactose content, a galactose content, a sucrose content, a maltose content, an alanine content, an aspartic acid content, an I-amino acid content, an acetylcholine content, a pyruvate content, an acetate content, a citrate content.
Der zweite Prozessparameter kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: dem Gehalt des Produktes des Prozesses in der Flüssigkeitsprobe, einer Enzymaktivität, einem Gerinnungsfaktor 8-Gehalt und -Aktivität, einem Gehalt an spezifischen Immunglobulin (Ig)-Typen, insbesondere einem IgG-, IgA-, IgM-Gehalt, einem Gehalt an Host-Cell-Protein, dem Glycosylierungsmuster/-struktur des Produktes, der Affinität des Analyten zu einer Zielstruktur und Proteinaggregation.The second process parameter may be selected from the group consisting of: the content of the product of the process in the liquid sample, an enzyme activity, a
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste und/oder die zweite Messzelle dazu ausgestaltet, das entsprechende Messsignal Biosensor-basiert, d.h. durch Nutzung der spezifischen affinen Erkennung des Analyten durch biologische bzw. biomolekulare Erkennungsstrukturen zu erfassen. Vorteilhaft ist die erste oder die zweite Messzelle zur Ausführung eines festphasengebundenen, immunologischen Assays zur Erzeugung ihres Messsignals ausgestaltet. Die jeweils andere Messzelle kann in dieser Ausgestaltung ihr Messsignal ohne die Durchführung eines festphasengebundenen immunologischen Assays, insbesondere unter Verwendung eines optischen oder eines amperometrischen Sensors und/oder eines photometrischen Küvettentests, erzeugen. Wie bereits erwähnt, können beide Messszellen im Durchflussbetrieb betreibbar sein.In an advantageous embodiment of the invention, the first and / or the second measuring cell is configured to the corresponding measuring signal biosensor-based, i. by detecting the specific affinity recognition of the analyte by biological or biomolecular recognition structures. Advantageously, the first or the second measuring cell is designed to carry out a solid-phase, immunological assay for generating its measuring signal. In this embodiment, the respective other measuring cell can generate its measuring signal without carrying out a solid phase-bound immunological assay, in particular using an optical or an amperometric sensor and / or a photometric cuvette test. As already mentioned, both measuring cells can be operated in flow mode.
Vorteilhaft weist die erste Messzelle zur Bestimmung von CPPs mindestens einen Enzym-Sensor auf.Advantageously, the first measuring cell for determining CPPs has at least one enzyme sensor.
Die Vorrichtung kann einen Prozessanschluss aufweisen, über den sie an einen Bioreaktor anschließbar ist. Der Prozessanschluss kann insbesondere eine Vorrichtung zur automatischen Probenentnahme aus einem Prozessbehälter in dem die Prozessflüssigkeit enthalten ist und/oder eine Vorrichtung zur Probenbehandlung umfassen. Die Vorrichtung zur Probenentnahme kann sowohl an Labor-Bioreaktoren als auch an Prozess-Bioreaktoren anschließbar sein. Sie kann beispielsweise eine Probenschleuse zur Verbindung einer Flüssigkeits-Förderleitung mit dem Bioreaktor und eine Vorrichtung zum Transport von Prozessmedium durch die Flüssigkeits-Förderleitung aus dem Bioreaktor in Richtung der Messzellen aufweisen.The device may have a process connection via which it can be connected to a bioreactor. The process connection can in particular comprise an apparatus for automatic sampling from a process container in which the process liquid is contained and / or a device for sample treatment. The sampling device may be connectable to both laboratory bioreactors and process bioreactors. It can, for example, have a sample lock for connecting a liquid feed line to the bioreactor and a device for transporting process medium through the liquid feed line from the bioreactor in the direction of the measuring cells.
Die Vorrichtung kann vorteilhaft dazu ausgestaltet sein, zur Bestimmung des ersten oder zweiten Parameters ein Standardadditionsverfahren auszuführen. Hierzu kann ein entsprechender Steuerungsalgorithmus in der Steuerungs- und Auswertungseinrichtung hinterlegt sein. Die Vorrichtung umfasst in dieser Ausgestaltung zusätzlich mindestens einen als Flüssigkeitsreservoir dienenden Behälter mit Standardflüssigkeit, die der in der Aufnahme der Messzelle zuzuführenden oder bereits in der Aufnahme der Messzelle enthaltenen Flüssigkeitsprobe zuleitbar ist, um die Flüssigkeitsprobe mit einem bzw. mehreren vorgegebenen Volumina der Standardflüssigkeit zu versetzen. Die Zugabe von Standardflüssigkeit zur Flüssigkeitsprobe kann mittels einer oder mehrerer durch die Steuerungs- und Auswertungseinrichtung gesteuerter Pumpen und/oder Ventile gesteuert werden.The device can advantageously be designed to carry out a standard addition method for determining the first or second parameter. For this purpose, a corresponding control algorithm can be stored in the control and evaluation device. In this embodiment, the device additionally comprises at least one container serving as a liquid reservoir with standard liquid, which can be supplied to the liquid sample to be supplied in the receptacle of the measuring cell or already contained in the receptacle of the measuring cell in order to displace the liquid sample with one or more predetermined volumes of the standard liquid , The addition of standard liquid to the liquid sample can be controlled by means of one or more pumps and / or valves controlled by the control and evaluation device.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung von mindestens zwei Substanzen in Proben einer Prozessflüssigkeit mittels einer Vorrichtung entsprechend der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Bestimmung des ersten und des zweiten Parameters unabhängig voneinander erfolgen.The invention also relates to a method for the automated determination of at least two substances in samples of a process fluid by means of a device according to the embodiments described above, wherein the determination of the first and the second parameters are independent of each other.
Als erster Parameter kann in diesem Verfahren ein Regelparameter CPP, insbesondere ein Metabolit-Gehalt, mittels eines, insbesondere Enzym-Sensors und als zweiter Parameter ein produktqualitätsrelevanter Parameter, z.B. ein Produkt-Gehalt oder eine Produktaktivität, mittels eines festphasengebundenen, Affinitäts-Assays bestimmt werden.The first parameter in this method may be a control parameter CPP, in particular a metabolite content, by means of a, in particular enzyme sensor, and as a second parameter a product quality-relevant parameter, e.g. a product level or product activity can be determined by means of a solid-phase, affinity assay.
Der erste und der zweite Parameter können durch wiederholt durchführbare Schrittabfolgen, welche das Durchleiten von einer oder mehreren Flüssigkeiten durch die Messzellen umfassen, mehrmalig (ohne Einsatz manueller Schritte) während eines Bioprozessverlaufes bestimmt werden. Insbesondere kann das Messsignal der ersten und/oder zweiten Messzelle im Durchflussverfahren erzeugt werden.The first and the second parameters can be determined several times (without the use of manual steps) during a bioprocessing process by repeatedly executable step sequences which involve the passage of one or more liquids through the measuring cells. In particular, the measurement signal of the first and / or second measuring cell can be generated in the flow-through method.
So ist es insbesondere im Falle, dass die zweite Messzelle Enzymsensoren aufweist, die gegebenenfalls mit Assay-Reagenzien vorbehandelten Proben durch eine der Messzellen zu leiten und den Prozessparameter im Durchfluss der Proben durch die Messzelle zu bestimmen. Wird in einer der Messzellen ein festphasengebundener Affinitätsassay durchgeführt, bei dem an immobilisierte Rezeptoren gebundene Analyt- oder sonstige Zielmoleküle mit einer Enzymmarkierung versehen sind, kann bei einem Durchflussverfahren ein Substrat, das mit der Enzymmarkierung zu einem Produkt mit veränderten optischen Eigenschaften umgesetzt wird, zu den Analyt- oder Zielmolekülen hin transportiert werden und das gebildete Produkt wegtransportiert werden. Die Erfassung des Prozessparameter anhand der optischen Eigenschaft des aus dem Substrat gebildeten Produkt kann direkt im die immobilisierten Rezeptoren umfassenden Detektionsbereich oder stromabwärts bezogen auf den Detektionsbereich erfolgen. Thus, it is particularly in the case that the second measuring cell has enzyme sensors to pass the optionally pretreated with assay reagents samples through one of the measuring cells and to determine the process parameters in the flow of the sample through the measuring cell. If a solid phase-bound affinity assay is carried out in one of the measuring cells, in which analyte or other target molecules bound to immobilized receptors are provided with an enzyme label, in a flow-through method a substrate which is reacted with the enzyme label to produce a product with altered optical properties can be added to the Analyte or target molecules are transported out and the product formed weggetrportiert. The detection of the process parameter based on the optical property of the product formed from the substrate can be carried out directly in the detection area comprising the immobilized receptors or downstream of the detection area.
Zur Bestimmung des ersten und/oder zweiten Parameters, insbesondere zur Bestimmung eines Metabolit-Gehalts, kann das Verfahren der Standardaddition angewendet werden.For determining the first and / or second parameter, in particular for determining a metabolite content, the method of standard addition can be used.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Bestimmung von CQAs, insbesondere Produktqualität und/oder Produktquantität, eines biotechnologischen Prozesses sowie eine, ggfs. gleichzeitige, Bestimmung von CPPs, z.B. des Gehalts, insbesondere der Konzentration, eines oder mehrerer in dem Prozess auftretender Metabolite, wobei zusätzlich Störeffekte automatisch kompensiert werden können. Das Verfahren und die Vorrichtung können sowohl Labor als auch im Prozess angewendet werden.The device according to the invention or the method according to the invention makes it possible to determine CQAs, in particular product quality and / or product quantity, of a biotechnological process and, if appropriate, simultaneous determination of CPPs, e.g. the content, in particular the concentration, of one or more metabolites occurring in the process, wherein in addition parasitic effects can be automatically compensated. The method and the device can be used both in the laboratory and in the process.
Die Vorrichtung und das Verfahren erlauben insbesondere die Bestimmung eines Gehalts, insbesondere einer Konzentration, eines Metaboliten und/oder eines Produktes eines Bioprozesses in einer aus dem Bioprozess entnommenen Prozessflüssigkeitsprobe. Die Bestimmung des Gehalts des Metaboliten bzw. die Bestimmung des Gehalts des Produktes in der Flüssigkeitsprobe wird im Folgenden auch kurz als Bestimmung des Metaboliten bzw. Bestimmung des Produkts bezeichnet.The device and the method allow, in particular, the determination of a content, in particular a concentration, of a metabolite and / or of a product of a bioprocess in a process fluid sample taken from the bioprocess. The determination of the content of the metabolite or the determination of the content of the product in the liquid sample is also referred to below as the determination of the metabolite or determination of the product.
Die hier beschriebene Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen: Die Erfindung erlaubt einen automatischen Messablauf innerhalb einer Plattform, insbesondere die Integration und Kombination der Metabolitanalytik in einem, beispielsweise als Schrankgerät ausgestalteten, Immunoanalyzer zur modular anpassbaren Zielprotein/Produktbestimmung. Eine geeignete Plattform ist beispielsweise in
Mit der Erfindung wird eine quasi-simultane und quasi-Echtzeit-Bestimmung der wichtigsten, die Qualitätseigenschaften beeinflussenden, kritischen Prozessparameter (CPPs) sowie gleichzeitig der produktqualitätsrelevanten Parameter (CQAs) möglich.With the invention, a quasi-simultaneous and quasi-real-time determination of the most important, the quality characteristics affecting critical process parameters (CPPs) and at the same time the product quality relevant parameters (CQAs) possible.
Die Vorteile bekannter Laborverfahren sind in einem automatisierten, für die Prozessanalyse geeigneten, Analysegerät vereint.The advantages of well-known laboratory methods are combined in an automated analyzer suitable for process analysis.
Eine direkte Prozesssteuerung und –optimierung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist möglich. Alternativ kann die Steuerungs- und Auswertungseinrichtung mit einer Steuerungseinrichtung des Prozesses kommunizieren.A direct process control and optimization by means of the control and evaluation device of the device according to the invention is possible. Alternatively, the control and evaluation device can communicate with a control device of the process.
Durch die Automatisierung können Messungenauigkeiten bei der Metabolitbestimmung durch Einfluss von Störeffekten, vor allem durch Matrixeffekte der zu analysierenden Probe (pH, Viskosität, Ionenstärke, Huminstoffe, gefärbte und trübe Lösungen...), effektiv eliminiert werden: Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise dazu ausgestaltet, das Standardadditionsverfahren zur Ermittlung von den Gehalt eines Metaboliten oder eines Produktes wiederspiegelnden Parameters anzuwenden. Dies führt zu einer höheren Messgenauigkeit im Vergleich zu den eingangs in Tabelle I genannten Analysegeräten mit automatisierter Metabolitbestimmung. Bei Anwendung des Standardadditionsverfahrens erfolgt die Metabolitbestimmung jeder Probe mit ihrer eigenen Kalibrierfunktion (siehe weiter unten
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the figures. Show it:
In
Die Messbereitschaft wurde zuvor durch geeignete, komplett automatisiert ablaufende Verfahrensschritte, welche auch das sukzessive Durchleiten der Assayreagenzien aus den Vorratsbehältern
Die erste Messzelle
Die zweite Messzelle
Die Detektion der mit dem Assay zu bestimmenden Messgröße (z.B. des Analytgehalts der Probe) wird beispielsweise optisch detektiert. Hierzu kann die zweite Messzelle
Die Messzellen können eine vor-Ort-Messelektronik umfassen, die zu einer ersten Verarbeitung, insbesondere zur Verstärkung und/oder Digitalisierung, der Messsignale dient. Eine weitergehende Verarbeitung der Messsignale, insbesondere eine Auswertung zur Bestimmung der Messgröße oder daraus abgeleiteter Größen wird bevorzugt von der Steuerungs- und Auswertungseinrichtung
Vorteilhaft sind die erste Messzelle
Die Bestimmungen mit den Messzellen
Diese werden der Probe zugesetzt und zusätzlich zur Probe ohne Standardaddition mittels der ersten Messzelle
Anhand der
Die Steuerungs- und Auswertungseinrichtung
Sie kann dazu ausgestaltet sein, einen überwachten Bioprozess zu steuern. Alternativ kann sie auch dazu ausgestaltet sein, die ermittelten Werte der Prozessparameter an eine Steuerung des überwachten Prozesses auszugeben. In beiden Fällen werden die beiden mittels der Messzellen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Prozessgefäß mit Probenflüssigkeit Process vessel with sample liquid
- 22
- Prozessanschluss/Probenahmesystem Process connection / sampling system
- 33
- zentrale Steuerungs- und Auswerteeinrichtung central control and evaluation device
- 44
- Umhausung enclosure
- 55
- Bevorratung Standardlösung 1 Stock Standard Solution 1
- 66
-
Bevorratung Standardlösung 2
Stock Standard Solution 2 - 77
- Bevorratung 1. Assayreagenz Storage 1. Assay reagent
- 88th
-
Bevorratung 2. Assayreagenz
Stock 2. Assay reagent - 99
- Bevorratung n. Assayreagenz Stock n. Assay reagent
- 1010
- erste Messzelle first measuring cell
- 1111
- zweite Messzelle second measuring cell
- 1212
- Abfallgefäß waste container
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- Lactat, Ammonium, Glutamat, also allgemein die Metabolite, verlässlich zu bestimmen (Rodrigues et al. S. 343 links 4. Absatz) [0003] Lactate, ammonium, glutamate, in general the metabolites, can be reliably determined (Rodrigues et al., Page 343, left, 4th paragraph) [0003]
- Rodrigues et al. S. 343 rechts 4. Absatz [0003] Rodrigues et al. P. 343 right 4th paragraph [0003]
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